CN117802123B - 高粱基因sorbi_3004g304700在盐胁迫中的应用及育种方法 - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
高粱基因SORBI_3004G304700在盐胁迫中的应用及育种方法,本发明属于植物基因工程技术领域。本发明为了在高粱中挖掘对盐胁迫具有调控作用的基因,为调控植物的抗盐胁迫能力,提供了高粱基因SORBI_3004G304700在盐胁迫中的应用,构建含有上述基因的重组载体,通过农杆菌介导法获得转基因植株。转基因植株的抗盐胁迫分析表明SORBI_3004G304700基因具有负向调控转基因烟草耐盐胁迫的能力,本发明对于加速抗盐植物的育种进程以及提高育种效率有重要的理论意义和实践价值。
Description
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及一种高粱基因在盐胁迫中的应用。
背景技术
高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是世界第五大谷类作物,是重要的主食之一,主要分布在干旱和半干旱地区。然而,由于工业污染和不合理灌溉等人为因素导致的土壤盐碱化,对高粱产量和粮食生产具有严重的负面影响。
植物通过涉及类受体激酶(RLKs)的各种复杂信号系统对环境变化作出响应(ZhuJ-K(2002).Salt and drought stress signal transduction in plants(植物在盐和干旱胁迫下的信号转导).Annual review of plant biology.53(1),247-273.),类受体激酶(RLKs)根据其胞外结构域被分为15类(De Smet I,VoβU,Jürgens G and Beeckman T(2009).Receptor-like kinases shape the plant(类受体激酶塑造植物).Nature CellBiology.11(10),1166-1173.);在这些类别中,凝集素类受体激酶(LRLKs)是通过其碳水化合物结合的凝集素结构域来区分的,在各种生物过程中发挥着至关重要的作用,包括植物生长发育、抗病、自交不亲和反应和对非生物胁迫的响应(Vaid N,Macovei A and TutejaN(2013).Knights in action:lectin receptor-like kinases in plant developmentand stress responses(植物发育和胁迫响应中的凝集素类受体激酶).Molecularplant.6(5),1405-1418.),而LRLKs又根据其细胞外凝集素结构域分为三个亚型:C型、G型和L型(LLRLKs)(Passricha N,Saifi S K,Kharb P and Tuteja N(2019).Marker-freetransgenic rice plant overexpressing pea LecRLK imparts salinity tolerance byinhibiting sodium accumulation(过量表达豌豆凝集素类受体激酶的无标记转基因水稻植株通过抑制钠的积累来提高耐盐性).Plant Molecular Biology.99(3),265-281.);其中,高粱基因SORBI_3004G304700属于LLRLK基因家族成员,但是人们对于SORBI_3004G304700基因在逆境胁迫响应方面的功能还不太了解。
发明内容
本发明为了在高粱中挖掘对盐胁迫具有调控作用的基因,为调控植物的抗盐胁迫能力,提供了高粱基因SORBI_3004G304700在盐胁迫中的应用及育种方法。
本发明的技术方案如下:
本发明的目的之一在于提供一种调控植株抗盐胁迫能力的育种方法,所述育种方法具体步骤如下:
S1、利用引物对高粱基因SORBI_3004G304700编码序列进行克隆,获得基因克隆序列;
S2、将S1中获得的基因克隆序列与PCE-GFP载体连接获得重组载体;
S3、利用冻融法将S2中获得的重组载体导入农杆菌中,获得重组农杆菌;
S4、将S3中获得的重组农杆菌侵染植物获得转基因植株;
S1中所述高粱基因SORBI_3004G304700的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;
S4中所述植物为烟草或高粱。
在本发明的一个优选实施例中,S1中所述引物中上游引物GFPF序列如SEQ IDNO.2所示,下游引物GFPR序列如SEQ ID NO.3所示。
在本发明的一个优选实施例中,S3中所述的农杆菌为GV3101。
在本发明的一个优选实施例中,S4中所述的农杆菌侵染方法为农杆菌介导法。
本发明的目的之二在于提供一种高粱基因SORBI_3004G304700在植物盐胁迫中的应用,所述高粱基因SORBI_3004G304700的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
本发明的目的之三在于提供一种重组载体在植物盐胁迫中的应用,所述重组载体携带SEQ ID NO.1所示的基因编码序列。
在本发明的一个优选实施例中,所述应用中高粱基因SORBI_3004G304700负向调控植物耐盐胁迫的能力,所述植物为高粱或烟草。
有益效果
本发明提供了一个与盐胁迫相关的高粱基因SORBI_3004G304700,并预测SORBI_3004G304700基因可能参与了盐胁迫响应的结论。通过将SORBI_3004G304700基因转入烟草植物中,鉴定后获得阳性的转基因植株,利用亚细胞定位将SORBI_3004G304700基因定位于细胞膜上;荧光定量PCR验证结果表明SORBI_3004G304700基因的表达量在盐胁迫条件下随时间的增加而增加,表明高粱基因SORBI_3004G304700可能参与了盐胁迫响应。
本发明得到的转基因植株材料通过继代繁殖及鉴定,可以成为稳定的研究盐胁迫的遗传材料;本发明以野生型作为对照,通过NBT和DAB染色技术,比较转基因纯合植株(TP1和TP2)和野生型(WT)在200mM NaCl处理下H2O2和活性氧ROS的变化情况,发现在对照条件下,转基因植株NBT和DAB的染色强度与WT相同;在盐胁迫条件下,转基因植株NBT和DAB的染色强度显著高于WT的染色强度,表明SORBI_3004G304700基因的过表达导致盐胁迫条件下转基因植株产生更多的H2O2和ROS,而产生大量的ROS会对植物细胞造成损伤,由此可知,SORBI_3004G304700基因负向调控植物抗盐胁迫的能力。
本发明对转基因植株和野生型根的生长情况进行测量,发现在盐胁迫条件下,转基因烟草相较于WT的根系长度出现显著缩短,进一步证明,SORBI_3004G304700基因负向调控植物抗盐胁迫的能力。
本发明对于加速抗盐植物的育种进程以及提高育种效率有重要的理论意义和实践价值。
附图说明
图1为实施例1中高粱SbLLRLK基因的片段重复,其中,背景中的灰色线代表整个基因组中的片段重复,黑线代表具有片段重复的SbLLRLK基因对,包含数字的内圈代表高粱的不同染色体,外圈代表不同染色体上的基因密度,每条短红线代表一个基因位点;
图2为实施例1中不同处理下高粱植株中SbLLRLK基因的表达谱;其中,框的颜色从黄色变为红色表示基因表达水平从低变为高,灰色表示没有数据;
图3为实施例1中基于高粱和其他物种的SbLLRLK家族基因构建的进化树图;
图4为实施例2中NaCl不同处理下SORBI_3004g304700基因的QRT-PCR分析结果图;其中,*和**表示组之间的值分别达到P<0.05和P<0.01的显著水平,而ns为无显著性;
图5为实施例3中重组载体构建策略,其中,黑色方框表示靶基因产物含有16bp的同源序列,为清楚展示附图分为A和B两部分放大展示;
图6为图5A部分的放大图;
图7为图5B部分的放大图;
图8为实施例3中转基因烟草图;其中,A为筛选后的转基因烟草外植体加25mg/L潮霉素B、1.5mg/L 6-BA(6-苄氨基嘌呤)和200mg/L羧苄青霉素的培养基,B为转基因烟草外植体在芽再生培养基中,C为转基因烟草生根培养基中的再生芽;
图9为实施例3中转基因烟草PCR和QPCR验证结果图;其中,A中的L1和L2泳道分别为TP1和TP2转基因植株,M为标记DL2000,目标PCR产物长度为1926bp;B为植物选择标记的PCR验证结果,目标产物长度为1026bp,M为标记DL2000;C为QRT-PCR的熔解曲线,曲线a表示Nbactin(内参基因),曲线b表示转基因植株,曲线c表示WT;D为WT和转基因植株SORBI_3004g304700基因的QRT-PCR表达量验证图,***表示显著性差异为P<0.001;
图10为实施例3中转基因植株(TP1和TP2)和野生型植株(WT)的NBT和DAB的染色强度图;其中,*和**分别为各组间达到P<0.05和P<0.01的显著性水平;
图11为实施例3中转基因植株(TP1和TP2)和野生型植株(WT)根长度的统计图;其中,*和**分别为各组间达到P<0.05和P<0.01的显著性水平;
图12为实施例3中SORBI_3004G304700基因在烟草表皮细胞中的瞬时表达结果图。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容,适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是,所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的,它们都被视为包括在本发明当中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述,相关人员明显能在不脱离本发明内容和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合,来实现和应用本发明技术。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合具体的实施方式及说明书附图对本发明进行进一步详细说明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法,所用材料、试剂、方法和仪器,未经特殊说明,均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器,本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1:高粱抗盐胁迫基因的筛选
(1)高粱植物中LLRLK家族成员的鉴定
本实施例选择集成植物数据库中的Sorghum bicolor(v3.51)数据库,以及从Pfam数据库中获得的Lectin_legB结构域(PF00139)和Pkc_like结构域(PF06176)序列谱隐马尔可夫模型,上述序列谱隐马尔可夫模型被用于鉴定高粱蛋白注释序列中的LLRLK家族成员。然后,再使用带有默认参数的HMMER软件包进行搜索,选择拟南芥LLRLKs作为查询对象,利用≤1e-5的e值阈值对高粱蛋白序列进行BLAST搜索。随后,再使用NCBI-CDD验证后,过滤掉任何假定的缺乏完整LLRLK结构域(Lectin_legB_N和Pkc_like_C)的SbLLRLK序列,并使用Clustal X软件进行多个蛋白序列比对后消除冗余转录本。
结果如图1所示,在高粱基因组中共鉴定出49个SbLLRLKs成员,其在高粱的10条染色体上呈不均匀分布,染色体定位分析显示,SbLLRLKs在1、2、10号染色体上具有明显的聚类性。
(2)SbLLRLK启动子中的顺式作用元件分析
采用Plant CARE对起始密码子上游2000bp区域内的顺式作用元件进行预测(Lescot M,Déhais P,Thijs G,Marchal K,Moreau Y,Van de Peer Y,et al.(2002).PlantCARE,a database of plant cis-acting regulatory elements and a portal totools for in silico analysis of promoter sequences(植物顺式调控元件数据库和启动子序列的计算机模拟分析工具门户).Nucleic Acids Res.30(1),325-327.),然后,使用CFVisual_v2对这些顺式作用元件进行可视化分析。
(3)SbLLRLK基因的RNA-序列分析
本实施例从GEO数据库中检索了不同非生物胁迫处理下的高粱转录组数据,用于分析不同处理下高粱SbLLRLK基因的表达水平,使用R程序对进行300mM和150mM NaCl、干旱(260μM甘露醇)、35℃、PEG、氢氧化钠和50μM ABA不同的处理植株生成基因Log2 (FPKM+1)值的热图可视化。当基因表达水平相对增加2倍以上时,则认为其基因表达水平上调,而下调则定义为基因表达水平相对减少0.5倍以上。
激素和胁迫处理的RNA序列分析显示结果如图2所示,大多数SbLLRLKs(49个中的31个)对至少一种处理方式表现出显著的变化(倍变化>1),并且,在SbLLRLKs的启动子区域中发现了大量与胁迫响应和激素调节相关的顺式作用元件,均证明SbLLRLK基因家族可能参与了对环境刺激的响应。尤其需要关注,在经ABA和盐处理后的样本中,SORBI_3004G304700基因的表达水平有了明显的变化(如图2所示)。
SbLLRLK超家族被分为4个组,其功能差异主要反映在初始底物的选择和缩合反应的数量上;其中,共线性分析结果如图3所示,表明SORBI_3004G304700基因与OsSIT1基因具有共线性,而OsSIT1基因被认为是一个与耐盐性相关的基因(Li C H,Wang G,Zhao J-L,Zhang L-Q,Ai L-F,Han Y-F,et al.(2014).The receptor-like kinase SIT1 mediatessalt sensitivity by activating MAPK3/6and regulating ethylene homeostasis inrice(类受体激酶SIT1通过激活MAPK3/6和调节乙烯稳态介导水稻盐敏感性).The PlantCell.26(6),2538-2553.),所以预测SORBI_3004G304700基因同样是与耐盐性相关的基因。
实施例2:高粱基因SORBI_3004G304700的QRT-PCR验证
本实施例对10d龄野生型高粱幼苗进行耐盐处理,分别用200mM NaCl处理0h、3h、6h和9h,然后取幼苗样本在液氮中快速冷冻,随后保存于-70℃;使用RNA分离试剂盒(Tiangen,China,代码FP205-01)提取高粱的总RNA,用逆转录试剂盒(Tiangen,China,代码FP205-01)合成cDNA的第一条链,具体程序按照制造商的说明进行,以SbCYP7基因为内参基因,以上游引物Q304F(如SEQ ID NO.4所示)和下游引物Q304R(如SEQ ID NO.5所示),测定高粱幼苗中SORBI_3004G304700基因的表达水平,采用Super Real Premix Plus(Tiangen,China,代码FP205-01)和ABI 700实时系统(Applied Biosystems,USA),具体程序按照制造商的说明进行;反应条件包括95℃2min,40个循环,95℃30s,60℃35s,72℃30s;采用2-ΔΔCT法分析基因的表达水平。
结果如图4所示,在200mM NaCl处理3h后,基因表达量无显著性变化;处理6h后,SORBI_3004g304700基因表达量显著增加了近4倍;处理9h后基因表达量增加了8倍,表明SORBI_3004G304700基因的表达受盐影响,结果说明SORBI_3004G304700基因可能参与了盐胁迫响应。
实施例3:高粱基因SORBI_3004G304700在植物抗盐胁迫中的应用
1、转基因植株的获得
(1)高粱基因SORBI_3004G304700的克隆
采用RNA分离试剂盒(Qiangen,中国)提取高粱总RNA,使用RNA MinElute试剂盒(Qiangen,中国)浓缩和纯化总RNA,再使用逆转录试剂盒(Qiangen,中国)合成第一链cDNA,具体提取程序按照制造商的说明书执行;根据已知SORBI_3004G304700基因序列的开放阅读框,设计添加了载体同源序列(包括Spe1酶切位点)的高粱基因SORBI_3004G304700的载体构建引物,获得核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示的GFPF上游引物和核苷酸序列如SEQ IDNO.3所示的GFPR下游引物;并利用上述引物对反转录后的cDNA进行特异性PCR扩增,然后通过常温凝胶电泳分离产物,检测到1966bp的片段,回收条带纯化,再次用上述引物扩增后进行测序,测序结果如SEQ ID NO.6所示。
(2)重组载体的构建
利用限制性内切酶Spe1酶切PCE-GFP载体,得到酶切片段,使用融合克隆试剂盒(诺唯赞南京,中国)将步骤(1)得到的高粱基因SORBI_3004G304700编码序列与表达载体相连接,连接策略如图5所示,通过PCR和DNA测序确认构建载体的核苷酸序列后,获得重组载体PCEGFP:SORBI_3004G304700。
(3)转基因植株的获得
将步骤(2)得到的重组载体PCEGFP:SORBI_3004G304700通过冻融法导入农杆菌GV3101中,进行PCR检测和酶切鉴定,采用农杆菌介导法用检测转化成功的农杆菌侵染植株,得到转基因植株。
2、转基因植株的筛选鉴定
以烟草幼苗的健康幼叶作为转基因外植体,切成2cm的正方形,然后将外植体置于MS培养基中,在25℃的植物生长室中培养3d;将外植体与2mL的经重组载体PCEGFP:SORBI_3004G304700转化的农杆菌GV3101孵育8min,外植体使用蒸馏水洗涤3次,然后转移到含有25mg/L潮霉素B、1.5mg/L 6-BA(6-苄氨基嘌呤)和200mg/L羧苄青霉素的MS(含1900mg/LKNO3、1650mg/LNH4NO3、170mg/L KH2PO4、370mg/L MgSO4·7H2O、440mg/L CaCl2·2H2O、0.83mg/L KI、6.2mg/L H3BO3、22.3mg/L MnSO4·4H2O、8.6mg/L ZnSO4·7H2O、0.25mg/LNa2MoO4·2H2O、0.025mg/L CuSO4·5H2O、0.025mg/L CoCl2·6H2O、0.025mg/L CoCl2·6H2O、37.25mg/L Na2.EDTA、27.85mg/L FeSO4·7H2O、100mg/L肌醇(Inositol)、2mg/L甘氨酸(Glycine)、0.1mg/L维生素B1、0.5mg/L维生素B6、0.5mg/L Vitamin B5、30g/L蔗糖和6g/L琼脂)筛选培养基中;4周后,将筛选好的外植体转移到含有1.5mg/L 6-BA和200mg/L羧苄青霉素的再生MS培养基上;4周后,将再生植株移到含有0.5mg/L 1-萘乙酸(NAA)的MS培养基中,诱导生根后,将植株移植到土壤中,移栽到25±2℃、光照16h、黑暗8h的温室中培养,获得转基因植株,转基因烟草如图8所示。
本实施例选择在含200mM NaCl的MS培养基中播种并生长10d的WT和转基因烟草幼苗,取幼苗样本在液氮中快速冷冻,随后保存于-70℃;使用RNA分离试剂盒(Tiangen,China,代码FP205-01)提取烟草的总RNA,用逆转录试剂盒(Tiangen,China,代码FP205-01)合成cDNA的第一条链,具体程序按照制造商的说明进行;使用上游引物F(如SEQ ID NO.7所示)和下游引物R(如SEQ ID NO.8所示)对转基因植株进行PCR验证,阴性对照为野生型(WT)基因;以Nbactin基因为内参基因,利用上游引物QRT-F(如SEQ ID NO.9所示)和下游引物QRT-R(如SEQ ID NO.10所示)对转基因植株进行QPCR验证,采用Super Real Premix Plus(Tiangen China;代码FP205-01)和ABI 700实时系统(Applied Biosystems,USA),具体程序按照制造商的说明进行;反应条件包括95℃2min,40个循环,95℃30s,60℃35s,72℃30s;采用2-ΔΔCT法分析基因的表达水平;每个样本有3个生物复制,采用Duncan's MultipleRange Test(DMRT)来测量配对间的具体差异,选取转基因成功的T2代烟草植株(TP1和TP2)用于后续实验。
PCR产物验证表明,转基因成功植株的PCR产物长度为1926bp,结果如图9A所示,植物选择标记(HYG)的PCR产物长度为1026bp,结果如图9B所示;根据QRT-PCR的溶解曲线判断是否转基因成功,如图9C所示,曲线a表示Nbactin内参基因,曲线b表示转基因植株中SORBI_3004g304700基因的QRT-PCR,曲线c表示WT植株中SORBI_3004g304700基因的QRT-PCR;WT和转基因植株的QRT-PCR验证结果如图9D所示,SORBI_3004g304700基因在转基因植株中表达量较高,表明转基因植株成功。
3、转基因株系盐胁迫相关分析
本实施例将野生型植株(WT)和T2代转基因种子用70%(v/v)乙醇进行表面消毒,然后用8%次氯酸钠(v/v)消毒,蒸馏水洗涤3次后播种在滤纸上,添加含有0和200mM氯化钠的霍格兰溶液,置于温室条件下,于10d后测量其H2O2和超氧化物积累情况;
将10d龄的野生型植株(WT)和转基因植物(TP1和TP2)在正常和盐胁迫条件下的幼苗,置于黑暗条件下采用3,3’-二胺-联苯胺(DAB)和硝基蓝四氮(NBT)染色24h,直到观察到黑点,然后在95%乙醇中煮沸,室温下使用70%乙醇进行保存,拍照。H2O2和超氧化物积累程度用染色强度进行评定,并采用ImageJ软件(https://imagej.net/ij/)进行测算。
如图10所示,在非盐胁迫条件下,转基因植物(TP1和TP2)和野生型植株(WT)的NBT和DAB的染色强度是相同的;但在盐胁迫条件下,转基因植物(TP1和TP2)NBT和DAB的染色强度显著高于野生型植株(WT)的染色强度,表明SORBI_3004G304700基因的过表达导致生成更多的H2O2和活性氧(ROS),而产生大量的ROS会对植物细胞造成损伤,由此可知,SORBI_3004G304700基因负向调控植物抗盐胁迫的能力。
此外,对在氯化钠处理条件下的转基因植株和野生型植株进行根长度的测定,结果如图11所示,转基因植株(TP1和TP2)的根明显短于野生型植株(WT),表明转基因植株(TP1和TP2)在盐胁迫情况下根生长变缓。
4、高粱基因SORBI_3004G304700在细胞中的定位
本实施例根据已知SORBI_3004G304700基因序列的开放阅读框,设计添加了载体同源序列(包括Spe1酶切位点)的高粱基因SORBI_3004G304700引物,得到核苷酸序列如SEQID NO.2所示的GFPF上游引物和核苷酸序列如SEQ ID NO.3所示的GFPR下游引物;利用上述引物对高粱全基因组DNA进行特异性PCR扩增,常温凝胶电泳分离产物,回收条带纯化,再次用同一引物扩增后测序,测序结果如SEQ ID NO.1所示;利用限制性内切酶Spe1酶酶切PCEGFP质粒,得到酶切片段,使用融合克隆试剂盒(诺唯赞南京,中国)生成表达盒;将SORBI_3004G304700的编码序列融合到绿色荧光蛋白的5’端,获得重组载体35S:SORBI_3004G304700:GFP,再通过PCR和DNA测序确认构建载体的核苷酸序列。
通过农杆菌介导的方法,将上述获得的35S:SORBI_3004G304700:GFP重组载体导入烟草的表皮细胞中瞬时表达,以35S:GFP载体作为对照组,农杆菌与烟草叶片共培养72h后,通过观察绿色荧光蛋白(GFPs)在烟草细胞中的表达,使用FluoView1000显微镜进行检测,将采集到的图像导入FV10-ASW 1.7A计算机软件(Olympus)中进行检测。
结果如图12所示,将SORBI_3004G304700基因定位于细胞膜上。
本发明说明书中未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。虽然本发明已以较佳的实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做各种改动和修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (6)
1.一种调控植株抗盐胁迫能力的育种方法,其特征在于,所述的育种方法具体步骤如下:
S1、利用引物对高粱基因SORBI_3004G304700编码序列进行克隆,获得基因克隆序列;
S2、将S1中获得的基因克隆序列与PCE-GFP载体连接获得重组载体;
S3、利用冻融法将S2中获得的重组载体导入农杆菌中,获得重组农杆菌;
S4、将S3中获得的重组农杆菌侵染植物获得转基因植株;
S1中所述高粱基因SORBI_3004G304700的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;
S4中所述植物为高粱或烟草。
2.根据权利要求1所述的育种方法,其特征在于,S1中所述引物中上游引物GFPF序列如SEQ ID NO.2所示,下游引物GFPR序列如SEQ ID NO.3所示。
3.根据权利要求1所述的育种方法,其特征在于,S3中所述的农杆菌为GV3101。
4.高粱基因SORBI_3004G304700在植物盐胁迫中的应用,其特征在于,所述高粱基因SORBI_3004G304700的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,所述植物为高粱或烟草。
5.一种重组载体在植物盐胁迫中的应用,其特征在于,所述重组载体携带SEQ ID NO.1所示的高粱基因SORBI_3004G304700的编码序列,所述植物为高粱或烟草。
6.根据权利要求4或5所述的应用,其特征在于,所述高粱基因SORBI_3004G304700负向调控植物耐盐胁迫的能力,所述植物为高粱或烟草。
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